堆場(chǎng)平行岸線的自動(dòng)化碼頭水平運(yùn)輸建模與仿真

李天昊 周 強(qiáng) 田 宇，2

1武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 武漢 430063 2上海國(guó)際港務(wù)（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200080

0 引言

隨著無(wú)人駕駛技術(shù)的發(fā)展和集裝箱碼頭自動(dòng)化程度的不斷提高，堆場(chǎng)平行岸線布置的集裝箱碼頭開(kāi)始采用無(wú)人駕駛集卡進(jìn)行水平運(yùn)輸自動(dòng)化改造。但陸域集疏運(yùn)作業(yè)仍舊使用人工駕駛集卡，無(wú)人-人工駕駛集卡在碼頭內(nèi)部混合通行，勢(shì)必會(huì)對(duì)集裝箱碼頭水平運(yùn)輸自動(dòng)化產(chǎn)生影響。如何對(duì)無(wú)人駕駛集卡和人工駕駛集卡進(jìn)行精準(zhǔn)管控，確保碼頭水平運(yùn)輸作業(yè)的安全與高效，是集裝箱碼頭水平運(yùn)輸自動(dòng)化改造過(guò)程中研究的焦點(diǎn)。

集裝箱碼頭水平運(yùn)輸系統(tǒng)是一個(gè)典型的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)影響因素眾多，計(jì)算機(jī)建模仿真提供了一種簡(jiǎn)單有效的研究方法[1，2]。雖然國(guó)內(nèi)外專家對(duì)集裝箱碼頭自動(dòng)化改造方面有一定的研究成果[3，4]，但對(duì)采用無(wú)人駕駛集卡的集裝箱碼頭水平運(yùn)輸自動(dòng)化改造研究還處于探索階段。因此，依據(jù)集裝箱碼頭水平運(yùn)輸自動(dòng)化改造方案，探索元胞自動(dòng)機(jī)（cellular automata，以下簡(jiǎn)稱CA）與Agent相結(jié)合的建模方法，構(gòu)建基于CA-Agent的集裝箱碼頭水平運(yùn)輸系統(tǒng)模型，從系統(tǒng)角度研究無(wú)人-人工駕駛集卡通行優(yōu)先級(jí)和裝卸道容量?jī)深惣ü芸夭呗詫?duì)碼頭生產(chǎn)作業(yè)的影響。

1 集裝箱碼頭水平運(yùn)輸自動(dòng)化改造

1.1 集裝箱碼頭平面布置及裝卸工藝

集裝箱碼頭堆場(chǎng)平行岸線的平面布置是碼頭最為常見(jiàn)的布置形式，其裝卸工藝主要采用堆場(chǎng)起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱場(chǎng)橋）+集卡+岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱岸橋）的形式。該種集裝箱碼頭平面布置和裝卸工藝下，集卡可以沿箱區(qū)側(cè)面的裝卸道行駛至目標(biāo)箱位處，由場(chǎng)橋完成堆場(chǎng)與集卡的集裝箱裝卸交接。集裝箱在堆場(chǎng)的水平移動(dòng)主要依靠集卡，場(chǎng)橋的大車行走機(jī)構(gòu)為非工作機(jī)構(gòu)。裝卸船內(nèi)集卡和集疏運(yùn)外集卡不能分開(kāi)行駛，不可避免存在2類集卡混行交叉的沖突情況，給碼頭的水平運(yùn)輸自動(dòng)化帶來(lái)了復(fù)雜的安全與效率問(wèn)題。堆場(chǎng)平行岸線布置的集裝箱碼頭平面布置及交通流向如圖1所示。

圖1 集裝箱碼頭平面布置和交通流向示意圖

1.2 水平運(yùn)輸自動(dòng)化改造

集裝箱碼頭的水平運(yùn)輸自動(dòng)化改造主要包括內(nèi)集卡無(wú)人化、集卡導(dǎo)引自動(dòng)化以及交通管控的精準(zhǔn)化3個(gè)方面。

首先，集裝箱碼頭通過(guò)高精度雷達(dá)、車載攝像頭、5G與V2X通訊以及自動(dòng)駕駛等技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)集卡進(jìn)行自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)港區(qū)內(nèi)集卡的無(wú)人駕駛。無(wú)人駕駛系統(tǒng)充分與電氣控制系統(tǒng)（ECS）系統(tǒng)交互，利用碼頭設(shè)備間的信息協(xié)同，實(shí)現(xiàn)內(nèi)集卡的遠(yuǎn)程控制和港區(qū)環(huán)境下的車路協(xié)同。

其次，碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)（TOS）與車輛管理系統(tǒng)（VMS）進(jìn)行結(jié)合，通過(guò)無(wú)線通訊技術(shù)，將裝卸任務(wù)信息發(fā)布給相應(yīng)集卡，通過(guò)集卡實(shí)時(shí)定位結(jié)合排隊(duì)信息，控制集卡運(yùn)行路線與順序，指揮引導(dǎo)集卡自動(dòng)停在正確位置，實(shí)現(xiàn)集卡引導(dǎo)自動(dòng)化。

最后，碼頭設(shè)置智能閘桿和交通信號(hào)燈等管控設(shè)備，控制內(nèi)、外集卡的通行優(yōu)先級(jí)和裝卸道容量，實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)區(qū)通行次序管制。通過(guò)內(nèi)、外集卡的精確定位，結(jié)合車輛管理系統(tǒng)控制無(wú)人駕駛集卡的跟馳距離與停車間距，實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外集卡在系統(tǒng)控制下的精確運(yùn)行，確保無(wú)人駕駛集卡和人工駕駛集卡能夠混合運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)交通管控的精準(zhǔn)化。

2 集裝箱碼頭水平運(yùn)輸系統(tǒng)建模

2.1 CA與Agent建模方法

元胞自動(dòng)機(jī)[4]是由Von Neuman所提出的一種在離散時(shí)空框架下根據(jù)有限狀態(tài)進(jìn)行演化的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。元胞自動(dòng)機(jī)由元胞、元胞空間、鄰居、元胞狀態(tài)和規(guī)則變換函數(shù)5部分構(gòu)成，其相互關(guān)系如圖2所示。CA方法具有建模簡(jiǎn)單、仿真效率高的特點(diǎn)，但也存在對(duì)道路、車輛、控制規(guī)則過(guò)度簡(jiǎn)化而產(chǎn)生的精度不足的問(wèn)題。

圖2 元胞自動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

Agent理論[5]是由Minsky所提出的一類具有相互溝通能力、環(huán)境適應(yīng)能力以及通過(guò)學(xué)習(xí)改變自身行為和運(yùn)行規(guī)則的個(gè)體。Agent的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，一般具有感知、執(zhí)行、決策、通信、知識(shí)庫(kù)等模塊。Agent模型能夠較好地反映無(wú)人駕駛集卡和人工駕駛集卡的車輛控制、調(diào)度等過(guò)程，但也存在建模過(guò)程復(fù)雜度高、考慮因素眾多、仿真效率低下的問(wèn)題。

圖3 Agent基本結(jié)構(gòu)

CA和Agent理論都可以對(duì)集裝箱碼頭等復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行抽象描述，在理論描述和建模應(yīng)用方面存在相關(guān)性。兩者都具有可遷移、可擴(kuò)展的開(kāi)放性；具有自下而上的建模方式；運(yùn)用演化規(guī)則推動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行；采用并行計(jì)算方式將復(fù)雜問(wèn)題離散化分解；都具有空間特性，使得兩者具有結(jié)合的可能性。因此，通過(guò)對(duì)CA方法進(jìn)行元胞定義、狀態(tài)以及演化規(guī)則的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)與Agent方法的相互融合，在保證水平運(yùn)輸自動(dòng)化集裝箱碼頭仿真精度的情況下，提高碼頭水平運(yùn)輸作業(yè)的仿真效率。

2.2 基于CA-Agent的模型框架

基于CA-Agent的集裝箱碼頭水平運(yùn)輸模型框架由系統(tǒng)控制層、道路元胞空間以及裝卸設(shè)備元胞空間3部分組成，如圖4所示。

圖4 模型整體框架圖

系統(tǒng)控制層包括集裝箱碼頭道路交通控制信號(hào)和生產(chǎn)作業(yè)控制信息，交通控制信號(hào)控制裝卸道容量，集卡通行優(yōu)先級(jí)、跟馳距離、停車間距等集卡行駛狀態(tài)；生產(chǎn)作業(yè)控制信息負(fù)責(zé)集卡Agent、場(chǎng)橋元胞、岸橋元胞的任務(wù)分配和設(shè)備調(diào)度。道路元胞空間是集裝箱碼頭路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的映射，根據(jù)碼頭路網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能的不同，劃分為車輛行駛速度與規(guī)則各異的路網(wǎng)元胞。集卡Agent模擬實(shí)際集卡的功能與狀態(tài)，在路網(wǎng)元胞上行駛并進(jìn)行水平運(yùn)輸作業(yè)，與感知范圍內(nèi)的元胞和集卡Agent進(jìn)行信息交互。裝卸設(shè)備元胞空間主要包含場(chǎng)橋和岸橋元胞，兩類元胞在判斷集卡Agent到達(dá)指定裝卸位置后，會(huì)根據(jù)集疏運(yùn)、裝卸類型任務(wù)類型，模擬實(shí)際集裝箱裝卸的過(guò)程。

模型的3個(gè)部分之間都設(shè)置有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，即各部分之間可以通過(guò)相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和輸入輸出方式進(jìn)行信息交換。

2.3 路網(wǎng)及裝卸設(shè)備元胞模型構(gòu)建

2.3.1 元胞劃分及狀態(tài)設(shè)置

集裝箱碼頭路網(wǎng)和裝卸設(shè)備根據(jù)位置和功能劃分為如圖5所示的7類元胞，其中白色為主干道元胞C1，灰色的代表交叉口元胞C2，粉色的為裝卸道元胞C3，橙色的為超車道元胞C4，淺綠色的前沿道路為C5；場(chǎng)橋元胞用Cc，岸橋元胞用Ca表示。元胞具有位置信息和狀態(tài)信息，元胞的屬性設(shè)計(jì)如下：

圖5 路網(wǎng)及裝卸設(shè)備元胞局部示意圖

元胞的位置信息用三維數(shù)組（Cn，Cx，Cy）表示，其中Cn代表元胞的類型，Cx、Cy代表元胞的橫、縱坐標(biāo)位置，集卡利用所在道路元胞的坐標(biāo)值可以計(jì)算車輛的間隔距離。

元胞占據(jù)狀態(tài)用O表示，O＝{1，0} 。其中0表示當(dāng)前元胞沒(méi)有被集卡或裝卸設(shè)備占據(jù)為空閑等待狀態(tài)；1表示元胞被占據(jù)。

集卡的行駛方向用狀態(tài)D表示，D＝{1，2，3，4}。1表示集卡向下行駛，2、3、4分別表示集卡向右、向上和向左移動(dòng)。

集卡的速度用狀態(tài)V表示，V＝{0，1，2，…，Vmax}。集卡Agent行駛速度按照一個(gè)仿真步長(zhǎng)經(jīng)過(guò)的元胞數(shù)量來(lái)計(jì)算。

裝卸狀態(tài)用L表示，L＝{0，1}。其中0代表當(dāng)前道路上沒(méi)有集卡進(jìn)行裝卸作業(yè)或裝卸設(shè)備未進(jìn)行裝卸作業(yè)；1代表在車輛進(jìn)行裝卸作業(yè)或裝卸設(shè)備正在進(jìn)行裝卸作業(yè)。

2.3.2 裝卸設(shè)備元胞的演化規(guī)則

每個(gè)箱區(qū)的場(chǎng)橋元胞內(nèi)只有1臺(tái)場(chǎng)橋進(jìn)行裝卸作業(yè)，當(dāng)有集卡正在進(jìn)行裝卸作業(yè)時(shí)，裝卸道上的其他集卡必須排隊(duì)等待。場(chǎng)橋在有裝卸作業(yè)任務(wù)時(shí)，會(huì)根據(jù)自身移動(dòng)速度，經(jīng)過(guò)一定的仿真步長(zhǎng)到達(dá)指定元胞位置進(jìn)行作業(yè)。場(chǎng)橋元胞的裝卸作業(yè)示意圖和流程圖如圖6、圖7所示。

圖6 場(chǎng)橋元胞裝卸作業(yè)示意圖

圖7 場(chǎng)橋元胞作業(yè)流程圖

岸橋元胞內(nèi)可以有多臺(tái)岸橋同時(shí)作業(yè)，每臺(tái)岸橋負(fù)責(zé)一條泊位前沿道路。岸橋移動(dòng)到目標(biāo)元胞位置且集卡到達(dá)泊位前沿的指定裝卸點(diǎn)，岸橋進(jìn)行裝卸船作業(yè)，如果岸橋已經(jīng)在目標(biāo)元胞位置則不需要移動(dòng)。岸橋元胞裝卸作業(yè)示意圖和流程圖如圖8和圖9所示。

圖8 岸橋元胞裝卸作業(yè)示意圖

圖9 岸橋元胞作業(yè)流程圖

2.4 集卡Agent構(gòu)建

集卡Agent和無(wú)人駕駛集卡一樣，能接受來(lái)自車輛管理系統(tǒng)的管控信息，根據(jù)集卡所感知的環(huán)境信息，結(jié)合車輛自身狀態(tài)和控制規(guī)則進(jìn)行駕駛行為的自我判斷。集卡Agent的結(jié)構(gòu)如圖10所示，主要由傳感器、狀態(tài)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)、決策模塊、執(zhí)行模塊5個(gè)部分構(gòu)成。

圖10 集卡Agent結(jié)構(gòu)

其中傳感器用于采集元胞空間和其他集卡Agent的狀態(tài)信息，同時(shí)接受交通控制與生產(chǎn)作業(yè)控制等環(huán)境信息；狀態(tài)庫(kù)則是保存了集卡Agent當(dāng)前的作業(yè)任務(wù)、速度、位置、集裝箱裝卸點(diǎn)等狀態(tài)信息；規(guī)則庫(kù)內(nèi)包含了無(wú)人駕駛集卡在各類道路段上行駛的通行規(guī)則；決策模塊根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)以及傳感器的信息進(jìn)行綜合決策，決定下一時(shí)刻車輛的行駛狀態(tài)和位置并將數(shù)據(jù)傳輸給效應(yīng)器；最后由效應(yīng)器具體執(zhí)行集卡Agent位置及狀態(tài)信息的變化。

集卡Agent的行駛與交通規(guī)則如下：

1）加速規(guī)則 加速過(guò)程表示的是集卡在集裝箱碼頭內(nèi)期望以最大的速度行駛的特性，集卡Agent在主干道和超車道可以加速行駛，規(guī)則表示為

式中：ls為集卡的安全距離，dn為集卡n和集卡n+1之間的元胞數(shù)，l為車輛長(zhǎng)度，bn(t)為當(dāng)前時(shí)間集卡的加、減以及勻速的情況，其中bn(t)=1為加速狀態(tài)；vn為集卡n當(dāng)前時(shí)刻速度，vmax為當(dāng)前道路集卡可以行駛的最大速度。

2）減速規(guī)則 無(wú)人駕駛集卡在集裝箱碼頭主干道、交叉口、裝卸道等道路部分需要根據(jù)前車狀況進(jìn)行減速或停止避免碰撞，或集裝箱裝卸點(diǎn)位置前減速保證準(zhǔn)確?？?，主要有防撞減速、交叉口轉(zhuǎn)彎減速和裝卸減速3種。

集卡為避免前車減速或停止而產(chǎn)生的碰撞情況，需要根據(jù)情況減速或停止，規(guī)則表示為

當(dāng)集卡到達(dá)交叉口時(shí)，且交叉口有集卡正在進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，集卡需要進(jìn)行減速慢行或停止，規(guī)則表示為

Sn為集卡n與交叉口之間的空元胞數(shù)，vc1max為主干道中集卡最大行駛速度，vc2max為交叉口最大行駛速度。

當(dāng)集卡進(jìn)入裝卸道后，如果前方為裝卸點(diǎn)，需要降速慢行保證停止在裝卸點(diǎn)位置的精確性，規(guī)則表示為

式中：kn為集卡到目標(biāo)裝卸點(diǎn)的元胞數(shù)量。

3）交叉口通行原則 當(dāng)交叉口元胞內(nèi)沒(méi)有轉(zhuǎn)彎集卡，直行的集卡可以最大速度通過(guò)交叉口。當(dāng)無(wú)人駕駛集卡和人工駕駛集卡同時(shí)轉(zhuǎn)彎進(jìn)入堆場(chǎng)時(shí)，根據(jù)車輛優(yōu)先級(jí)判斷和等待時(shí)間綜合判斷轉(zhuǎn)彎的先后順序。當(dāng)需要轉(zhuǎn)彎的集卡和直行集卡通過(guò)相同交叉口的時(shí)候，計(jì)算通過(guò)交叉口的時(shí)間min(t1，t2)，用時(shí)短的集卡優(yōu)先通行，規(guī)則表示為

式中：t1為集卡直行通過(guò)交叉口的時(shí)間，Cx邊界為交叉口的橫向邊界，xn為直行集卡位置，t2為轉(zhuǎn)彎集卡通過(guò)交叉口所用的時(shí)間，Cy邊界為交叉口的縱向邊界，yn為直行集卡所在車道序號(hào)。

3 實(shí)際案例仿真分析

采用國(guó)內(nèi)某水平運(yùn)輸自動(dòng)化改造的集裝箱碼頭作為仿真案例，碼頭共布置2個(gè)泊位，堆場(chǎng)共分為4個(gè)場(chǎng)區(qū)32個(gè)箱區(qū)，采用岸橋+無(wú)人駕駛集卡+RTG的裝卸工藝，其中岸橋8臺(tái)，RTG24臺(tái)。碼頭裝卸船作業(yè)采用無(wú)人駕駛集卡，港外進(jìn)行集疏運(yùn)作業(yè)為人工駕駛集卡，分析無(wú)人駕駛集卡通行優(yōu)先級(jí)和裝卸道容量2類管控條件對(duì)無(wú)人駕駛集卡作業(yè)循環(huán)時(shí)間的影響，仿真界面如圖11所示。

圖11 仿真界面圖

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)依據(jù)碼頭設(shè)計(jì)資料以及《海港集裝箱碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)置，具體數(shù)值如表1～表3所示。仿真工況選取碼頭作業(yè)高峰期，所有裝卸設(shè)備都參與裝卸作業(yè)。仿真模型中1個(gè)仿真步長(zhǎng)時(shí)間t= 2 s。

表1 道路元胞參數(shù)表

表2 裝卸設(shè)備元胞參數(shù)表

表3 水平運(yùn)輸管控條件與參數(shù)

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

仿真實(shí)驗(yàn)選取無(wú)人駕駛集卡通行優(yōu)先級(jí)和裝卸道容量作為變量條件，記錄不同管控方案下無(wú)人駕駛集卡作業(yè)循環(huán)時(shí)間（無(wú)人駕駛集卡完成裝船或卸船任務(wù)的平均時(shí)間）。無(wú)人駕駛集卡通行優(yōu)先級(jí)有高、中、低3種，裝卸道容量取1～9，每種方案運(yùn)行10次，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4、圖12所示。

圖12 無(wú)人駕駛集卡作業(yè)循環(huán)時(shí)間圖

結(jié)合表4的數(shù)據(jù)，從圖8中可以發(fā)現(xiàn)裝卸道容量較少時(shí)，提高無(wú)人駕駛集卡優(yōu)先級(jí)可以有效降低無(wú)人駕駛集卡的作業(yè)循環(huán)時(shí)間，說(shuō)明無(wú)人-人工駕駛集卡集中在主干道中，提高無(wú)人駕駛集卡通行優(yōu)先級(jí)，可減少無(wú)人駕駛集卡在主干道的堵塞和排隊(duì)時(shí)間，從而降低作業(yè)循環(huán)時(shí)間。

隨著裝卸道容量的增加，裝卸道上緩存了原先應(yīng)該在主干道進(jìn)行排隊(duì)的集卡，主干道交通逐漸暢通，當(dāng)裝卸道容量達(dá)到8臺(tái)及以上時(shí)，3種通行優(yōu)先級(jí)條件下的作業(yè)循環(huán)時(shí)間幾乎一致，說(shuō)明無(wú)人駕駛集卡在主干道排隊(duì)的情況基本消失，作業(yè)循環(huán)時(shí)間不受通行優(yōu)先級(jí)影響。

此外，當(dāng)無(wú)人駕駛集卡通行優(yōu)先級(jí)為高，且裝卸道容量為1時(shí)，無(wú)人駕駛集卡的作業(yè)循環(huán)時(shí)間是管控方案中最小的僅有6.89 min，說(shuō)明限制人工駕駛集卡進(jìn)入堆場(chǎng)作業(yè)可以獲得最大的無(wú)人駕駛集卡作業(yè)效率，符合碼頭在裝卸船作業(yè)高峰期禁止外集卡進(jìn)入堆場(chǎng)的措施。因此，通過(guò)建模仿真方法，可以分析研究水平運(yùn)輸管控條件對(duì)無(wú)人駕駛集卡作業(yè)循環(huán)時(shí)間的影響，為集裝箱碼頭水平運(yùn)輸自動(dòng)化改造和精細(xì)管控提供參考。

4 結(jié)論

在堆場(chǎng)平行岸線的集裝箱碼頭水平運(yùn)輸自動(dòng)化改造分析基礎(chǔ)上，將元胞自動(dòng)機(jī)與Agent建模方法進(jìn)行結(jié)合，構(gòu)建了基于CA-Agent的集裝箱碼頭水平運(yùn)輸系統(tǒng)仿真模型。根據(jù)碼頭實(shí)際作業(yè)參數(shù)和工況進(jìn)行仿真分析，得到裝卸道容量和集卡通行優(yōu)先級(jí)與無(wú)人駕駛集卡作業(yè)循環(huán)時(shí)間的關(guān)系曲線，為集裝箱碼頭水平運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化改造提供科學(xué)的管控策略。